Cameron Merritt
0 
4600
816
Alternatywne fakty rozprzestrzeniają się w społeczeństwie jak wirus. Wygląda na to, że zainfekowali nawet naukę - przynajmniej sferę kwantową. Może się to wydawać sprzeczne z intuicją. Metoda naukowa opiera się przecież na wiarygodnych pojęciach obserwacji, pomiaru i powtarzalności. Fakt ustalony przez pomiar powinien być obiektywny, tak aby wszyscy obserwatorzy mogli się z nim zgodzić.
Ale w artykule opublikowanym niedawno w Science Advances pokazujemy, że w mikroświecie atomów i cząstek, w którym rządzą dziwne reguły mechaniki kwantowej, dwaj różni obserwatorzy mają prawo do własnych faktów. Innymi słowy, zgodnie z naszą najlepszą teorią o elementach budulcowych samej przyrody, fakty mogą być w rzeczywistości subiektywne.
Obserwatorzy to potężni gracze w świecie kwantowym. Zgodnie z teorią cząstki mogą znajdować się w kilku miejscach lub stanach jednocześnie - nazywa się to superpozycją. Ale co dziwne, dzieje się tak tylko wtedy, gdy nie są obserwowane. W momencie, gdy obserwujesz układ kwantowy, wybiera on określoną lokalizację lub stan - przerywając superpozycję. Fakt, że natura zachowuje się w ten sposób, został wielokrotnie udowodniony w laboratorium - na przykład w słynnym eksperymencie z podwójną szczeliną.
Związane z: 18 największych nierozwiązanych tajemnic fizyki
W 1961 roku fizyk Eugene Wigner zaproponował prowokacyjny eksperyment myślowy. Zastanawiał się, co by się stało, gdybyśmy zastosowali mechanikę kwantową do obserwatora, który sam jest obserwowany. Wyobraź sobie, że przyjaciel Wignera wrzuca monetę kwantową - która jest nałożeniem obu orłów i reszek - do zamkniętego laboratorium. Za każdym razem, gdy przyjaciel rzuca monetą, obserwuje określony wynik. Można powiedzieć, że przyjaciel Wignera udowadnia fakt: wynikiem rzutu monetą jest zdecydowanie głowa lub ogon.
Wigner nie ma dostępu do tego faktu z zewnątrz i zgodnie z mechaniką kwantową musi opisać przyjaciela i monetę, aby znaleźć się w superpozycji wszystkich możliwych wyników eksperymentu. To dlatego, że są „splątani” - strasznie połączeni, tak że jeśli manipulujesz jednym, manipulujesz również drugim. Wigner może teraz w zasadzie zweryfikować tę superpozycję za pomocą tak zwanego „eksperymentu interferencyjnego” - rodzaju pomiaru kwantowego, który pozwala rozwikłać superpozycję całego układu, potwierdzając, że dwa obiekty są splątane.
Kiedy Wigner i przyjaciel porównują później notatki, przyjaciel będzie nalegał, że widział konkretne wyniki dla każdego rzutu monetą. Jednak Wigner nie zgodzi się, ilekroć zobaczy przyjaciela i monetę w superpozycji.
To stanowi zagadkę. Rzeczywistości postrzeganej przez przyjaciela nie da się pogodzić z rzeczywistością zewnętrzną. Wigner początkowo nie uważał tego za paradoks, twierdził, że absurdem byłoby opisanie świadomego obserwatora jako obiektu kwantowego. Jednak później odszedł od tego poglądu i zgodnie z formalnymi podręcznikami mechaniki kwantowej opis jest całkowicie poprawny.
Eksperyment
Scenariusz długo pozostawał interesującym eksperymentem myślowym. Ale czy odzwierciedla rzeczywistość? Z naukowego punktu widzenia postęp w tej dziedzinie był niewielki aż do niedawna, kiedy Časlav Brukner z Uniwersytetu Wiedeńskiego wykazał, że przy pewnych założeniach pomysł Wignera można wykorzystać do formalnego udowodnienia, że pomiary w mechanice kwantowej są subiektywne dla obserwatorów..
Brukner zaproponował sposób przetestowania tego pojęcia poprzez przetłumaczenie scenariusza przyjaciela Wignera na ramy ustanowione po raz pierwszy przez fizyka Johna Bella w 1964 r. Brukner rozważał dwie pary Wignerów i przyjaciół, w dwóch oddzielnych pudełkach, przeprowadzając pomiary we wspólnym stanie - wewnątrz i poza odpowiednim polem. Wyniki można podsumować i ostatecznie wykorzystać do oceny tak zwanej „nierówności Bella”. Jeśli ta nierówność zostanie naruszona, obserwatorzy mogą mieć alternatywne fakty.
Teraz po raz pierwszy wykonaliśmy ten test eksperymentalnie na Uniwersytecie Heriot-Watt w Edynburgu na małym komputerze kwantowym złożonym z trzech par splątanych fotonów. Pierwsza para fotonów reprezentuje monety, a pozostałe dwa służą do wykonania rzutu monetą - pomiaru polaryzacji fotonów - wewnątrz ich odpowiedniego pudełka. Na zewnątrz dwóch pudełek po każdej stronie pozostają dwa fotony, które można również zmierzyć.
Pomimo zastosowania najnowocześniejszej technologii kwantowej zebranie wystarczających danych z zaledwie sześciu fotonów do wygenerowania wystarczających statystyk zajęło tygodnie. Ostatecznie jednak udało nam się wykazać, że mechanika kwantowa może rzeczywiście być niezgodna z założeniem obiektywnych faktów - naruszyliśmy nierówność.
Teoria opiera się jednak na kilku założeniach. Obejmują one to, że na wyniki pomiarów nie mają wpływu sygnały przemieszczające się powyżej prędkości światła i że obserwatorzy mają swobodę wyboru pomiarów, które mają wykonać. Tak może być, ale nie musi.
Kolejną ważną kwestią jest to, czy pojedyncze fotony można uznać za obserwatorów. Zgodnie z propozycją teorii Bruknera obserwatorzy nie muszą być świadomi, muszą jedynie być w stanie ustalić fakty w postaci wyniku pomiaru. Nieożywiony detektor byłby zatem ważnym obserwatorem. Podręcznik mechaniki kwantowej nie daje nam powodu, by sądzić, że detektor, który może mieć zaledwie kilka atomów, nie powinien być opisywany jako obiekt kwantowy, tak jak foton. Może się również zdarzyć, że standardowa mechanika kwantowa nie będzie miała zastosowania w dużych skalach długości, ale testowanie to osobny problem.
Dlatego to doświadczenie pokazuje, że przynajmniej w przypadku lokalnych modeli mechaniki kwantowej musimy przemyśleć nasze pojęcie obiektywności. Wydaje się, że fakty, których doświadczamy w naszym makroskopowym świecie, pozostają bezpieczne, ale pojawia się główne pytanie, w jaki sposób istniejące interpretacje mechaniki kwantowej mogą uwzględniać subiektywne fakty.
Niektórzy fizycy postrzegają te nowe osiągnięcia jako wzmacniające interpretacje, które pozwalają na wystąpienie więcej niż jednego wyniku obserwacji, na przykład istnienie równoległych wszechświatów, w których zachodzi każdy wynik. Inni postrzegają to jako nieodparty dowód na teorie z natury zależne od obserwatora, takie jak kwantowy bayesizm, w którym działania i doświadczenia agenta są głównymi zagadnieniami teorii. Jednak inni uważają to za mocną wskazówkę, że być może mechanika kwantowa załamie się powyżej pewnych skal złożoności.
Oczywiście są to wszystkie głęboko filozoficzne pytania dotyczące fundamentalnej natury rzeczywistości. Niezależnie od odpowiedzi, czeka Cię interesująca przyszłość.
Ten artykuł został pierwotnie opublikowany pod adresem Rozmowa. Publikacja przyczyniła się do powstania artykułu Głosy ekspertów: Op-Ed & Insights.